作者：王爽
出版社：清华大学出版社
格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT
宇宙奥德赛：穿越银河系试读：
作者简介
王爽，中山大学物理与天文学院副教授，博士生导师。多年来致力于宇宙学的研究，目前已发表SCL论文35篇，总引用超过1800次。科普作家，著有《宇宙奥德赛：漫步太阳系》《给孩子将宇宙》《给孩子讲相对论》，获得过包括“中国出版协会2017年度中国30本好书”和“国家新闻出版署2018年向全国青少年推荐百种优秀出版物”在内的一系列国家级科普大奖。粉丝数近200万的新浪微博知名科学科普博主，凤凰卫视、深圳卫视、TEDx标准级大会演讲嘉宾。
自序
故事得从2017年说起。那年夏天，我开始规划一场名为“宇宙奥德赛”的遨游整个宇宙的旅行。
下图就展示了这场宇宙奥德赛之旅的整体规划。在旅程的前半段，我们将从地球出发，按照由近及远的顺序，依次游历太阳系（行星世界）、银河系（恒星世界）和河外星系（星系世界），并最终到达宇宙的尽头。在那里，空间和时间发生了交汇，从而把我们带回了时间的起点。所以在旅程的后半段，我们将从宇宙创生的那一刻出发，顺时间长河而下，依次探寻宇宙起源、生命诞生和宇宙命运的神奇奥秘，并最终回到今天的地球。当旅程结束的时候，我们就能真正了解人类最终极的三大问题——我是谁？我从哪里来？我将往何处去？——的答案。
2018年10月，宇宙奥德赛系列的第一本书《宇宙奥德赛：漫步太阳系》正式出版。此书拿到了京东2018年科普新书榜的季军，并收获了豆瓣评分9.1的良好口碑。这让我感受到了不小的压力，同时也获得了极大的动力。
此后，我一直在自己的新浪微博（ID是“王爽_宇宙奥德赛”）上更新宇宙奥德赛之旅第二季的内容，共写了32篇原创的科普文章。让我觉得相当惊喜的是，其中每篇文章的微博阅读量都超过了100万，进而让整个#宇宙奥德赛#的话题阅读量超过了5.5亿。我对这32篇文章进行了大规模的修订，并补充了8篇全新的文章，这就是你现在看到的这场环游宇宙之旅的第二本书《宇宙奥德赛：穿越银河系》。
如果说第一本书是一场关于太阳系的行星世界之旅，那么第二本书就是一场关于银河系的恒星世界之旅。我们将游历12个位于银河系内、经过精挑细选的景点，依次是半人马座α、天狼星、飞马座51b、北极星、猎户座α、PSR B1919+21、天鹅座X-1、蟹状星云、鹰状星云、赫尔斯-泰勒双星、人马座A*和银河系全景。
这些景点的挑选标准有两个：①从银河系出发，位置由近及远；②能全面展示不同类型的恒星。通过这场旅行，你就能尽情领略银河系内的一些最有代表性的美景。
更为重要的是，本书为你呈现的并不是一些关于银河系的碎片化知识，而是一个关于银河系的完整知识体系。借由40个精挑细选的主题，我将带你了解这12个银河系景点在人类文明史上扮演过什么重要角色；与哪些重大的科学事件有关；如何改变人类对整个宇宙的看法；又与我们的现实生活存在怎样的联系。
除了致力于构造一个关于银河系的完整知识体系以外，本书也继承了前作的几个主要的特色：①问题引导，每一节都在回答一个最关键的问题；②故事驱动，书中穿插了海量的科学家的逸闻趣事；③内容可视化，全书几乎没有数学公式，所有知识点都转化成了可视化的物理图像，进而用贴近生活的类比来加以解释。
至少在我看来，与前作相比，本书在写作技巧上有了长足的进步。我删掉了以前爱写的大段大段的人物传记，让故事读起来更为流畅。此外，我也尝试在讲故事的过程中注入更多的情感，进而引起读者的思考和共鸣。相信你可以感受到此书中倾注的心血和诚意。
准备好了吗？那我们就出发吧。01 半人马座α1.1 什么是三体问题？
欢迎踏上“宇宙奥德赛”的第二段旅程，即穿越银河系之旅。在这场旅行的第一站，我们要拜访的是离地球最近的恒星系统：半人马座α。它也是中国著名科幻作家刘慈欣笔下的三体世界的原型（图1.1）。图1.1 半人马座α
不过在正式游览半人马座α之前，我想先科普一下，到底什么是三体问题。
一言以蔽之，三体问题就是研究3个物体在自身万有引力作用下的运动规律的问题。它关心的是，如果知道了某个时刻3个物体的质量、位置和速度，能否准确预言它们未来的运动轨迹。
第一个研究三体问题的人，是我们的老朋友艾萨克·牛顿爵士。在传世巨著《自然哲学的数学原理》中（图1.2），他研究了月球在地球和太阳引力影响下的运动。
在此后的数百年间，有数不清的数学家和物理学家都研究过这个三体问题。限于篇幅，我只介绍其中最重要的3个牛人。
第一个牛人是瑞士大数学家莱昂哈德·欧拉（图1.3）。图1.2 《自然哲学的数学原理》图1.3 莱昂哈德·欧拉
历史上有一大堆特别牛的数学家。但能牛到像欧拉这么逆天的，实在是凤毛麟角。为了说明此人逆天的程度，让我们从他一生中最黑暗的时刻说起。
1766年，也就是欧拉59岁的那一年，他的左眼因为白内障而失明。由于他的右眼早在20多年前就已经失明了，这让欧拉一下就掉进了黑暗的深渊。
你不难想象，对一个整天写写算算的数学家而言，双目失明到底意味着什么。这几乎就是末日降临。
为什么要说“几乎”呢？是因为历史上有一个数学家从绝望中挺了过来，在双目失明的情况下，依靠匪夷所思的记忆力和心算能力继续从事数学研究，后来竟然又发表了将近200篇数学论文。你可能已经猜到，这个强悍到变态的怪物，就是欧拉本人。
我举一个例子，你就能体会到欧拉变态的程度了。双目失明以后，他曾经心算过一个17项相加的算式，即（这里的“！”代表数学中的阶乘）；事实上，他一直算到了小数点后50位，都没有出现任何错误！
欧拉一生中总共发表了800多篇论文，从而成为历史上发表论文数第二多的数学家，仅次于1983年沃尔夫数学奖得主保罗·埃尔德什。此外，他的论文质量也傲视群雄。有一个数学杂志，曾经组织了一群知名数学家来评选历史上最美的数学公式。结果在前5名中，有iπ4个公式都是欧拉提出的。排名第一的就是著名的欧拉恒等式：e+1=0。除了著作等身，欧拉也是一个很有眼光的伯乐。他发掘过的最有名的千里马，就是我要为你介绍的第二个牛人：意大利大数学家约瑟夫·拉格朗日（图1.4）。拉格朗日也是一个旷世奇才。他很小的时候就考上了都灵大学。不过刚上大学的拉格朗日，其职业规划是成为一名律师。17岁那年，他偶然看到哈雷写的一篇介绍微积分的文章，这才对数学产生了浓图1.4 约瑟夫·拉格朗日厚的兴趣。
依靠自学，拉格朗日很快就补上了必要的基础，然后开始自己做一些数学研究。不久后，他提出了一种新的数学理论，那就是著名的变分法。
兴奋不已的拉格朗日立刻给曾经做过相关研究的欧拉写信，描述了自己的新理论。这封信让欧拉大为赞赏。为此，他甚至压下了一篇自己已经写好、内容非常相似的论文，好让拉格朗日的论文能够率先发表。
此后，拉格朗日又把变分法应用于牛顿力学，并且推导出了分析力学中最核心的公式：欧拉-拉格朗日方程。应该有不少数学系或物理系的同学，都曾深受此方程的折磨。
值得一提的是，拉格朗日因为提出欧拉-拉格朗日方程而名动天下的时候，还是一个20岁的毛头小伙子。换句话说，从对数学一无所知，到足以在数学史上青史留名，只花了拉格朗日短短3年的时间。
无论是欧拉还是拉格朗日，都在三体问题上倾注了大量的心血。下面，我就来讲一讲这两人对三体问题的主要贡献。
欧拉和拉格朗日研究的课题是，在两个大型天体构成的双体系统中，是否存在一些特殊的位置，让所有处在这些位置上的小天体，都能在两个大型天体的引力的作用下保持静止？
他们的研究结果表明，一共存在5个这样的位置（图1.5）。欧拉发现了其中的3个位置，也就是图1.5中的L1、L2和L3。这3个点位于两个大型天体（以太阳和地球为例）中心的连线上。其中L1点位于太阳和地球之间，L2点位于地球的外侧，而L3点位于太阳的外侧、很靠近地球公转轨道的地方。而拉格朗日则发现了另外的两个位置，也就是图中的L4和L5。这两点都位于地球绕太阳公转的轨道平面上，并且与太阳和地球构成了等边三角形的3个顶点。这5个特殊的位置，被后人称为拉格朗日点。
位于拉格朗日点的小天体，只依靠太阳和地球的引力就可以一直停留在拉格朗日点。这意味着，如果能把人造卫星或空间望远镜送到拉格朗日点，它们就能在不依赖额外燃料的情况下，一直相对于地球保持静止。因此，拉格朗日点是放置人造卫星或空间望远镜的最理想的位置。图1.5 拉格朗日点
不过，在这5个拉格朗日点中，L3、L4和L5点都离地球颇为遥远，以目前的技术还很难到达。L1点虽然离地球较近，但会受到比较严重的太阳风的干扰。因此，人们一般都会把人造卫星或空间望远镜送到L2点上。
拉格朗日点的发现为三体问题的研究带来了一线曙光。人们一度乐观地认为，总有一天人类能彻底解决三体问题；换言之，可以解析算出所有三体系统的运动轨迹。但到了19世纪末，这个美好的愿望因为一个人写的一篇论文而破灭。这个人就是我要为你介绍的第三个牛人：法国大数学家亨利·庞加莱（图1.6）。图1.6 亨利·庞加莱
庞加莱有一个绰号：世界上最后一个数学全才。下面这件事最能说明此人强悍到何种地步。在20世纪初期，他曾与另一个大数学家、德国哥廷根学派领袖克莱因在自守函数领域展开过一场异常惨烈的竞争。表面上看，两人最后平分秋色，但实际上，克莱因可谓兵败如山倒。因为这场竞争拖垮了克莱因的身体，让他研究数学的黄金时代早早终结。而庞加莱则游刃有余，在与克莱因展开竞争之余，还抽空建立了另一门数学分支。
言归正传。1887年，庞加莱参加了一个为庆祝瑞典国王奥斯卡二世60岁大寿而举办的数学竞赛。此竞赛的主题就是三体问题。数学家们原本希望能通过举办这次大赛来促进三体问题的解决，但现实却无情地粉碎了他们的梦想。
在这个数学竞赛中，庞加莱提交了一篇堪称惊世骇俗、后来让他名动天下的论文。他从数学上证明了，三体问题根本没有解析解；换言之，根本无法写出解析的数学公式，来精确预言三体系统未来的运动轨迹。更恐怖的是，三体系统存在很多无法精确预测其未来运动状态的数值敏感区，这让它变成了一个真正意义上的混沌系统。
听起来有点云里雾里，是吧？没关系。让我借助一个在中学物理中最常见的例子，来解释一下什么是数值敏感区和混沌系统。
图1.7是一个单摆。一根长为10米、质量可以忽略不计的轻杆，一端固定，另一端连着一个质量为m的小球。假设地球的重力加速度是10米/秒。开始的时候，小球静止在最低端的位置。如果给小球一个初速度，就可以让它摆动起来。很明显，初速度越大，小球所能达到的最大高度就越高。这个高度可以通过一个简单的能量守恒公式来计算，其中m是小球的质量，v是小球的初速度，g是地球的重力加速度，而h是小球所能达到的最大高度。好了，现在最关键的问题来了。要是给静止的小球一个方向水平向右、大小为20米/秒的初速度，小球最终的运动状态将会如何？用前面说的能量守恒公式，很容易算出这个20米/秒的初速度，恰好能让单摆沿逆时针的方向旋转180°，并且达到整个单摆系统的最高点（即高度为20米的地方）。换句话说，20图1.7 单摆模型米/秒的初速度会让此系统处于一个极端微妙的临界状态。此后，哪怕是最微小的改变，都会对单摆系统的运动状态产生巨大的影响。比如说，如果真实初速度比这个临界初速度大一亿分之一，小球就会继续沿逆时针的方向从左边落下；如果真实初速度比这个临界初速度小一亿分之一，小球就会沿顺时针的方向从右边落下。换句话说，如果一个物理系统的初始条件恰好处于临界状态（在此例子中就是20米/秒），那么初始条件的微小改变会造成最终结果的惊天巨变。这个临界的初始状态，就是所谓的数值敏感区。
处于数值敏感区的物理系统，其最终的运动状态就无法预测了。原因很简单。我们使用的测量仪器精度有限，根本不可能测出一亿分之一的速度变化。换言之，无论真实初速度比20米/秒大一亿分之一还是小一亿分之一，实验仪器测出的数值全都是20米/秒。这样一来，我们会发现同样是20米/秒的初速度，有时会让小球从左边掉落，有时又会让小球从右边掉落。这种由于处于数值敏感区而导致的结果无法预测的诡异现象，就是所谓的混沌现象。
不像单摆系统只有一个数值敏感“点”,三体系统有一大堆数值敏感区（图1.8）。这也让三体系统变得异常复杂艰深和变幻莫测。当然，这也是数学家们把三体问题列为世纪难题的最重要的原因。
在了解了什么是三体问题，以及三体问题为何如此复杂以图1.8 混沌的三体系统后，让我们来聊聊半人马座α的三体问题。
半人马座α由3颗恒星构成，分别叫A星、B星和C星。C星离地球最近，只有4.25光年（光跑4.25年的距离），所以中国人又把它称为比邻星。
在刘慈欣笔下的《三体》中，三体世界一直处于恒纪元和乱纪元不断交替的状态。在恒纪元中，三颗恒星的运动会非常规律，从而让三体人有一段风调雨顺的好时光来发展三体文明；而到了乱纪元，3颗恒星的运动会变得杂乱无章，从而给三体文明带来灭顶之灾。
那么在真实的三体世界，即半人马座α，是否也存在恒纪元和乱纪元呢？答案是否定的。
看看表1.1，你就知道其中的道理了。根据目前的天文观测，半人马座αA星和B星的间距，会在10～35倍日地距离（日地距离约为1.5亿千米）之间变动。两者靠得最近时，相当于从太阳到土星的距离；两者离得最远时，相当于从太阳到冥王星的距离。但比邻星却与这两颗恒星相距甚远，约为日地距离的13 000倍。表1.1 半人马座αA星和B星的间距8千米注：AU：astronomical unit,天文单位1 AU=1.496×10
这意味着，半人马座α的3颗恒星，其实按照以下的规律运动：首先，A星和B星构成了一个彼此绕转的双星系统，大概花80年可以完成一圈公转；其次，AB星作为一个整体，再与比邻星构成了一个彼此绕转的两体系统，大概花55万年可以绕转一圈。也就是说，半人马座α本质上并不是一个运动极端复杂的三体系统，而是一个运动相当规律的两体系统。因此，真实的三体世界，其实 只有永恒的恒纪元。
我们已经介绍完了三体问题。1.2节，我们将近距离地看看这个三体世界。1.2 一群由于低薪才找到工作的女士如何推开恒星世界的大门？
接下来，让我们看看半人马座α的这3颗恒星，即A星、B星和比邻星。
图1.9就展示了这3颗恒星的相对大小。作为对比，这张图也把太阳包含在内。你可以看到，半人马座αA星、B星和太阳的体积相差无几，而比邻星的体积却远远小于这3颗恒星。这是因为，半人马座αA星、B星和太阳是同一个类型的恒星，称为黄矮星，而比邻星则是另一个类型的恒星，称为红矮星。图1.9 半人马座α三合星的相对大小
人类是怎么给恒星分类的呢？这要从一个100多年前的传奇故事讲起。
让我们坐上时间机器，回到19世纪80年代初期。在那个年代，人类对天上的事还知之甚少。举两个例子。当时人们普遍认为，银河系就是宇宙的全部，而太阳正处于银河系的中心。而对于恒星，人们普遍认为它们是只能燃烧几千万年的大煤球，并且完全不清楚它们到底有哪些种类。
换句话说，那个年代还是一片天文学的荒原。但就在这一片蛮荒中，正孕育着一场惊天巨变。
1882年，导致惊天巨变的第一张多米诺骨牌终于倒下了。那年冬天，一个叫亨利·德雷珀（图1.10）的美国富豪因病去世了。
德雷珀是一位名医，同时也是一位业余天文爱好者。他生前一直有一个心愿，那就是搞清楚天上的恒星到底有哪些种类。因此，他的遗孀就捐出了一大笔钱，用来资助一位天文学家进行这方面的研究。最后得到这笔捐款的人，就是时任哈佛大学天文台台长的爱德华·皮克林（图1.11）。图1.10 亨利·德雷珀图1.11 爱德华·皮克林
皮克林用这笔钱雇了一些员工，用哈佛大学天文台的一个小望远(1)镜来拍摄天上恒星的光谱。他希望通过分析这些恒星的光谱，来找到一个划分恒星种类的办法。
需要强调的是，在那个年代，美国的性别歧视非常严重，一般的学术机构根本就不会雇用女性。因此，皮克林的研究团队，一开始也没有任何女性雇员。
有一次，皮克林被一个笨头笨脑的男员工气得火冒三丈，大骂他做事还不如自己家的女佣。不久后，皮克林干脆炒了这个人的鱿鱼，并真的让自己家的女佣来哈佛大学天文台工作。这个女佣叫威廉敏娜·弗莱明（图1.12）。第二张多米诺骨牌就这么倒下了。
弗莱明原本是苏格兰的一名女教师。21岁那年，身怀六甲的她与丈夫一起移民美国；但到美国后没多久，她和孩子就被这个负心汉抛弃了。为了维持生计，弗莱明打过不少零工，最后跑到皮克林家里当女佣。24岁那年，弗莱明加入了哈佛大学天文台。在那里，这个命运多舛的女性终于开始绽放光芒。终其一生，她总共对10 000多颗恒星进行了分类，并且发现了300多颗变星、10颗新星和59个星云。
言归正传。对弗莱明大为满意的皮克林，开始大量地招聘女员工。他这么做最大的理由是，当时女性的工资很低，还不到男性的一半。换句话说，正是因为低薪，这些女性才得到哈佛大学天文台的工作。不久后，皮克林就建立了一支完全由女性构成的研究团队（曾经有80多位女性加入过这个团队）。她们被后人称为哈佛计算员。
图1.13就是皮克林与部分哈佛计算员在1913年的一张合影。哈佛计算员的出现，推倒了第三张多米诺骨牌。正是这群由于低薪才找到工作的女士，最终完成了两个开天辟地式的伟大工作，从而为人类推开了通往恒星世界和浩瀚宇宙的两扇大门。图1.12 威廉敏娜·弗莱明图1.13 皮克林与部分哈佛计算员
在本节中，我们只介绍她们如何推开通往恒星世界的大门。至于她们如何推开通往浩瀚宇宙的大门，会放在4.3节中介绍。
在哈佛计算员团队刚建立的最初的十多年间，她们的研究进展其实很不顺利。这是因为，她们一直没能解决一个最核心的问题：到底应该用什么标准来对恒星光谱进行分类？
当时，哈佛计算员内部总共有两派观点。弗莱明提出了一个分类标准，而一个叫安东尼娅·莫里的计算员（此人是富豪德雷珀的侄女）则提出了另一个分类标准。以今天的眼光来看，这两个分类标准都有问题，所以这里就不具体介绍了。
这两派人争执了很久，但是谁也无法说服对方。就在混乱中，一位名不见经传的女士悄悄地登上了历史的舞台。她就是美国天文学家安妮·坎农（图1.14）。坎农出生在一个很富裕的家庭，她爸爸是美国特拉华州的一个州议员。她的早年生活一直很顺利，于1880年考上了卫斯理女子学院，并因为成绩优异而被选为了全校毕业典礼的演讲者。但大学毕业后，坎农的生活就开始走下坡路了。由于严重的性别歧视，坎农毕图1.14 安妮·坎农业后没能找到合适的工作，而不得不搬回家与母亲同住。到了1892年，灾难降临。在欧洲旅行期间，坎农不幸染上了猩红热，从而导致她双耳失聪。祸不单行，1894年，她妈妈又因病去世，这让坎农一下就成了漂泊人世间的浮萍。
备受打击的坎农决定重新上学。通过卫斯理女子学院的一个老师的推荐，她成为哈佛大学天文系的一名旁听生。在那里，她认识了皮克林。靠着这层关系，坎农于1896年加入了哈佛大学天文台，成为一名哈佛计算员。
加入了天文台后不久，坎农就开始关注弗莱明和莫里之间的分类标准之争。经过几年的深思熟虑后，坎农于1901年提出了一种全新(2)的分类标准：可以用恒星的表面温度来对恒星进行分类。
坎农提出的这个分类标准听起来似乎很简单，没什么大不了的。但它的重要意义在于，这就是世界上第一个被立起来的鸡蛋。
这个发现平息了哈佛计算员内部的争论。正是基于这个用恒星表面温度进行分类的标准，哈佛计算员们最终于1924年完成了20多万颗恒星的光谱分析，并把它们分成了以下7类（图1.15）：（1）O 型，即表面温度超过30 000开尔文、主要发蓝光的恒星。（2）B型，即表面温度介于10 000～30 000开尔文，主要发蓝白光的恒星。（3）A型，即表面温度介于7500～10 000开尔文，主要发白光的恒星。（4）F型，即表面温度介于6000～7500开尔文，主要发出黄白光的恒星。（5）G型，即表面温度介于5200～6000开尔文，主要发出黄光的恒星。（6）K型，即表面温度介于3700～5200开尔文，主要发出橙光的恒星。（7）M型，即表面温度介于2400～3700开尔文，主要发出橙红光的恒星。
这就是OBAFGKM恒星分类系统。图1.15 哈佛恒星分类
这个花了整整40年漫长岁月才完成的工作，就是著名的哈佛恒星分类。它是人类历史上完成的第一个恒星分类。我们会在2.1节中讲到，正是基于这个哈佛恒星分类，有两个天文学家提出了能对恒星类型进一步细分的赫罗图，从而为后人研究 恒星的诞生、演化和死亡奠定了坚实的基础。
最后再多说几句。尽管为人类推开了通往恒星世界的大门，绝大多数的哈佛计算员却并没有获得她们应得的尊重和认可。在她们之中，极少有人能拿到博士学位，更别提能评上教授了。在20世纪初，她们经常被人称为“皮克林的后宫”。而在100多年后的今天，她们在公众间依然几乎无人知晓。就连她们发明的OBAFGKM恒星分类系统，后来也被人编成了“Oh, Be A Fine Girl, Kiss Me!”（噢，做个好女孩，吻我！）这句对女性相当戏谑而轻薄的口诀。
我们已经介绍了哈佛计算员们的传奇故事。1.3节中，让我们来探究一下真实的三体世界可不可能存在生命。1.3 真实的三体世界有没有可能存在生命？
在刘慈欣的《三体》中，三体世界里居住着一群拥有高度发达文明的三体人；他们发明了包括智子和水滴在内的一系列黑科技，还一度占领了地球。那么在真实的三体世界中，是否有可能存在生命呢？
我们知道，恒星是生命的禁区。只要是恒星，其表面温度就能达到好几千摄氏度。在这种条件下，不管是什么样的生命都无法生存。
因此，三体世界要想拥有生命，关键是要有一颗适宜生命居住的行星。
那三体世界是否拥有这样的行星呢？答案是有。
2016年8月24日，在天文学界一直都很不起眼的比邻星，突然成为全球媒体关注的热点。因为在那一天，31位欧美天文学家在著名的《自然》杂志上发表了一篇论文，宣布他们在比邻星附近找到了一颗和地球差不多大小的新行星。
可能有些读者会觉得奇怪了，地球与比邻星之间相距4.25光年，在距离如此之远的情况下，这颗行星是怎么被发现的呢？为了回答这个问题，我得先给你补充一点基础知识，讲讲什么是多普勒效应。让我们从一个人的故事讲起，他就是奥地利物理学家克里斯丁·多普勒（图1.16）。多普勒是一个相当倒霉的人。作为欧洲名校维也纳大学的博士，时运不济的他迟迟没能在学术界找到正式工作，只好在奥地利各地游荡，打各种各样的零工。直图1.16 克里斯丁·多普勒到30多岁，他才好不容易在一所不知名的大学谋到了一份教职。这所大学很喜欢压榨教师，给多普勒指派了山一样的教学任务，这让他相当痛苦。
39岁那年，多普勒写了一篇轰动学界的论文。几年后，成名后的多普勒得以重返自己的母校，并担任维也纳大学物理系主任。但遗憾的是，早年艰辛的生活已经严重损害了他的健康。最后，他只活到了49岁。
正是在那篇改变了自己命运的论文里，多普勒提出了著名的多普勒效应。
为了解释多普勒效应，让我们从一个在日常生活中相当常见的场景说起。常坐地铁出行的人应该会注意到一个现象：当列车进站的时候，它发出的汽笛声会变得比较尖锐；当列车出站的时候，它发出的汽笛声会变得比较低沉。
这个现象就可以用多普勒效应来解释。这个效应说的是，当某个物体靠近我们的时候，它发出的声波波长会变小，频率会变大；而当这个物体远离我们的时候，它发出的声波波长会变大，频率会变小。
多普勒效应不仅适用于声波，还适用于宇宙中所有的波。因为光本身也是一种波（即电磁波），所以它也满足多普勒效应。这意味着，如果某颗恒星正在靠近我们，它发出的光的频率就会变大，这称为蓝移；反过来，如果此恒星正在远离我们，它发出的光的频率就会变小，这称为红移。
知道了多普勒效应和蓝移红移的概念以后，现在就可以揭晓人类如何发现比邻星的行星了。图1.17就展示了其中的奥秘。如果比邻星真的拥有一颗行星，此行星就会与比邻星构成一个彼此绕转的两体系统。这样一来，当这颗行星离地球远去时，比邻星就会略微地靠近地球；此时，比邻星发出的光就会发生轻微的蓝移。反之，当这颗行星向地球飞来时，比邻星就会略微地远离地球；此时，比邻星发出的光就会发生轻微的红移。换言之，如果比邻星真的拥有一颗行星，它的光谱就会出现周期性的蓝移红移交替的现象。这种探测比邻星行星的方法，被称为径向速度法。图1.17 用径向速度法探测系外行星的原理图
最早怀疑比邻星拥有一颗行星的人，是英国天文学家米可·托米。2013年，他写了一篇文章，讨论了比邻星光谱存在周期性蓝移红移交替现象的可能性。但由于观测数据的匮乏，他无法确定这个蓝移红移交替的周期。
2016年，欧洲南方天文台（简称欧南台）启动了暗淡红点计划（图1.18），利用欧南台放在智利的两台大型光学望远镜来观测比邻星的光谱。经过几个月的观测，以英国天文学家艾斯库德为首的31位科学家终于确定，比邻星光谱蓝移红移交替的周期是11.2天。这意味着，他们发现了一颗正绕着比邻星旋转且公转周期是11.2天的新行星。图1.18 暗淡红点计划
这颗新行星，后来被人们命名为比邻星b。
这还不是暗淡红点计划带给我们的全部惊喜。通过对观测数据的深入分析，天文学家们发现比邻星b的质量约为地球质量的1.3倍，说明它肯定是一颗表面被岩石覆盖的固态行星。此外，它与比邻星的距离是日地距离的5%，这让它恰好位于比邻星的宜居带之内。换句话说，比邻星b与比邻星的距离适中，所以它像地球一样，表面温度能让水以液态的形式存在（图1.19）。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]